PTS-FORSCHUNGSBERICHT IK_MF130147
ANALYSE DER PAPIEREIGNUNG FÜR DEN HIGH SPEED INKJET-DRUCK
FASERN & COMPOSITE
VERPACKUNGEN & KONFORMITÄT DRUCK & FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN PAPIERWIRTSCHAFT 4.0 PRÜFUNG & ANALYTIK
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Faserbasierte Lösungen
für die Produkte von Morgen
Dr.-Ing. Rainer Klein und Dr. Daniel Weinzierl:
Analyse der Papiereignung für den High Speed Inkjet-Druck (High Speed Inkjet-Druck)
PTS-Forschungsbericht 9/16
Feb 2017, zweite geringfügig überarbeitete Auflage März 2017
Papiertechnische Stiftung (PTS) Heßstraße 134
D - 80797 München www.ptspaper.de
Download-Information:
Diese Studie steht auf der Homepage der PTS zum Download bereit:
www.ptspaper.de/forschungsdatenbank
Ansprechpartner:
Dr. Rainer Klein Tel. (03529) 551-686 rainer.klein@ptspaper.de
Institut für Zellstoff und Papier IZP Pirnaer Straße 37
01809 Heidenau
Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens MF 130147 gewonnen, das im Programm zur "Förderung von Forschung und Entwicklung bei Wachstumsträgern in benachteiligten Regionen"
mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) über den Projektträger EuroNorm Gesellschaft für Qualitätssicherung und Technologie mbH aufgrund eines Beschlus- ses des Deutschen Bundestages gefördert wurde. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.
Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbe- reitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projekt- durchführung.
Bewertung des Druckergebnisses im High Speed Inkjet-Druck (HSI-Druck)
Rainer Klein und Daniel Weinzierl* 1 Einleitung
Der bedeutendste Anteil der erzeugten Papiere in Europa sind mit ca. 38 Mio t in 2013 grafische Pa- piere1, die unter Nutzung verschiedener Druckverfahren – vorwiegend Rollen- und Bogenoffsetdruck, Tiefdruck - bedruckt werden. Oft werden die Papiere für das zum Einsatz kommende Druckverfahren optimiert, wobei jedoch der Trend zu Druckverfahren unabhängig ausgerüsteten Papieren geht. Auf Grund der zunehmenden Individualisierung von Druckprodukten, der breiten Fächerung der Aufla- gengröße und der erhöhten Flexibilitätsanforderungen gewinnen die digitalen Druckverfahren immer mehr an Bedeutung. Bei diesen konkurrieren vorwiegend der Inkjet-Druck und die Elektrofotografie (Tonerdruck).
Die Papierindustrie charakterisiert ihre Druckpapiere heute mit mehreren elementaren Eigenschaf- ten, deren Druckrelevanz unterschiedlich hoch ist. Fakt ist, dass diese Eigenschaften, auch in ihrer Summe, keine eindeutige Abschätzung der Ver- und Bedruckbarkeit im Vorfeld des Druckens gestat- ten. D. h. Aussagen zum Laufverhalten des Papiers in der Druckmaschine und zum Druckergebnis liegen erst beim Druck oder nach erfolgtem Druck vor, was bei Problemen in der Regel mit hohen Kosten verbunden ist. Deshalb wird auch heute noch sehr oft der Weg beschritten, den Praxisdruck labortechnisch zu simulieren (Probedruckgeräte), um das Druckergebnis kostengünstig zu prognosti- zieren. Die visuelle und/oder messtechnische Bewertung des Druckproduktes ist dabei jedoch immer zwingend erforderlich.
Auch für den Inkjet-Druck im Pharmabereich wird mit dem labortechnischen Data Matrix Code Druck dieser Weg erfolgreich beschritten2,3. Die Anforderungen an grafische Druckprodukte, die bei hoher Geschwindigkeit im Inkjet-Verfahren (High Speed Inkjet-Druck (HSI-Druck)) hergestellt werden, sind jedoch wesentlich höher und komplexer als bei der Verpackungscodierung, weshalb mit dieser Me- thode nur eine kleine Teilmenge der Anforderungen an die grafischen Papiere abgedeckt werden kann. Um die Lücke zu schließen wurde in enger Zusammenarbeit mit der Industrie an der PTS ein labortechnischer HSI-Druckversuchsstand, der die realen, industriellen Druckbedingungen abbildet, aufgebaut. Für die Bewertung der Ver- und Bedruckbarkeit der Papiere wurden entsprechende Druckformen sowie dazugehörige Bewertungsmethoden entwickelt, über die hier ein Überblick ge- geben wird.
2 Mögliche Druckfehler im HSI-Druck - Herausforderungen an die Papierentwicklung
Bei der Entwicklung von Papieren für den HSI-Druck gilt es verschiedene, teils entgegengesetzt wir- kende Effekte so zu optimieren, dass eine optimale Ver- und Bedruckbarkeit sowie Weiterverarbeit- barkeit erreicht wird. Voraussetzung für diese Aufgabe sind genaue Kenntnisse über die beim HSI- Druck denkbaren Druckfehler inklusive ihrer Ursachen. Wesentliche Druckprobleme sind in Abb. 1 benannt und visualisiert. Die Mehrzahl der möglichen Probleme resultiert aus dem Zusammenspiel von Papier, Tinte und drucktechnischen Parametern (Nr. 1 bis Nr. 13, Abb. 1). Bei den Nummern 14 und 15 handelt es sich ausschließlich um Druckerprobleme, die sich in der Druckqualität niederschla- gen.
Im HSI-Druck spielt die Tintentrocknung, -fixierung eine wesentliche Rolle und ist neben der Produk- tivität (Druckgeschwindigkeit) für mehre Qualitätsprobleme verantwortlich. Bei nicht ausreichender Tintenaufnahme durch das Papier kann es zu Ablagerungen auf Umlenkrollen in der Druckmaschine und zur Farbrückübertragung auf das Papier bzw. im Extremfall zum Verwischen des Druckbildes kommen (8, 10).
* Dr.-Ing. Rainer Klein; PTS Heidenau, Germany; rainer.klein@ptspaper.de Dr. Daniel Weinzierl; PTS Heidenau, Germany; daniel.weinzierl@ptspaper.de
Abb. 1: Mögliche Druckfehler im HSI-Druck (keine Vollständigkeit)
Eine wesentliche Herausforderung beim HSI-Druck besteht somit darin eine schnelle Tintenpenetra- tion bzw. Tintentrocknung bei Garantie eines hohen Kontrasts und einer brillanten Farbwiedergabe (Tinte verschwindet nicht im Papier, sondern wird an der Oberfläche fixiert) zu gewährleisten. Dies stellt eine sehr anspruchsvolle Aufgabe dar, die nur mit verlässlicher Messtechnik und dem Ver- ständnis der zugrunde liegenden Zusammenhänge gelöst werden kann.
3 HSI-Labordrucker
Abb. 2 enthält eine Überblicks-/Detailansicht des an der PTS in Kooperation mit der Industrie ent- wickelten HSI-Druckers sowie seine wichtigsten technischen Daten. Bei den Druckköpfen handelt es sich um Originaldruckköpfe, wie sie auch in großtechnischen HSI-Druckern Verwendung finden. Im aktuellen Aufbau wird mit den originalen, pigmentierten Tinten von Océ in den Farben Schwarz (K) und Cyan (C) gedruckt. Die Erweiterung zum vollständigen Vierfarbdrucker (K, C, M, Y) wird im ersten Quartal 2015 abgeschlossen sein. Das Papier (DIN A4) wird auf einem Probenschlitten befestigt und kann mit bis zu 100 m/min unter den Druckköpfen hindurch bewegt werden. Nach dem Bedrucken kann das Druckbild in einer Wischeinheit einem definierten Wischtest unterzogen werden.
Die Verwendung industrieller Druckköpfe und Tinten garantiert, dass der Druck mit identischer Druckauflösung in Querrichtung und identischer(n) Tropfengröße(n) wie in der Praxis erfolgt. Mit den seitenbreiten Druckköpfen und der Linearachse mit praxisüblicher Druckgeschwindigkeit werden auch bei kompakter Bauweise die praxisrelevanten Zeitabstände zwischen den Druckköpfen beim Mehrfarbendruck und somit reale Trocknungszeiten erreicht. Diese Punkte sind für die Bewertung der Tintentrocknung und die Beurteilung von Druckfarbenwechselwirkungen von großer Bedeutung.
2 mm
visuell wahr- nehmbarer partieller Glanz bei Betrachtung im Schräglicht
24
10 mm
ca. 4 cm Falte 20 mm
5 mm Düse x25
1 2 5 mm 3
5 mm
4
5 6 7
9
8
10
1 mm 11
12
13
15
1 Wicking, Feathering 2 Durchscheinen 3 Colour to Colour Bleed 4 Mottling, Koaleszenz 5 Streifigkeit
6 Glanzeffekte 7 Benetzungsprobleme 8 Tintenrückübertragung
(Trocknungsproblem) 9 Schleier
10 Tintenablagerung (siehe 8) 11 First Line Effekt
12 Faltenbildung 13 Eckencurl 14 Headcrash 15 Düsenausfall 10 mm
14
Abb. 2: Labor HSI-Drucker mit 11 cm breiten Piezo-Druckköpfen
Mit den beiden Druckköpfen ist gegenwärtig eine maximale Tintenbelegung von 200 % möglich.
Durch die Erweiterung um 2 Druckwerke können höhere Belegungen gefahren werden, wobei in der Praxis Tintenmengen bis zu 240 % üblich sind.
4 Druckformen
Grundlage der Untersuchung der Eignung von Papieren für den HSI-Druck sind speziell entwickelte Druckelemente, die in vier Druckformen zusammengefasst wurden (Abb. 3).
Abb. 3: Druckformen
Druckform 1 und 4 dienen der Ermittlung der Tintenpenetration, -trocknung, wobei verschiedene Druckelemente und Tintenmengen gedruckt werden. Die Druckform 2 wurde zur Bestimmung von Ausfranzeffekten sowie dem Ausbluten beim mehrfarbigen Nass-in-Nass-Druck erstellt. Die Elemente der Druckform 3 sind für die Beurteilung der Mottlingneigung (Koaleszenz) sowie der Druckdichte und des Farborts entwickelt worden.
5 Drucktechnische Bewertung 5.1 Allgemeine Aspekte
An der PTS wurden verschiedene Methoden zur Bewertung der Eignung von grafischen Papieren für den HSI-Druck entwickelt, wobei in einem iterativen Prozess die in Abb. 3 gezeigten vier Druckfor- men entstanden sind. Tab. 1 enthält eine Zusammenstellung der entwickelten Methoden, die Zu-
Technische Daten:
• 2 Océ/Canon Druckköpfe (piezo) Ab I/2015 - 4 Köpfe
o Druckauflösung: 600 x 600 dpi
o Druckfarbe: Océ Pigmenttinten K, C, (M, Y))
• Linearachse
o Druckgeschwindigkeit: bis zu 100 m/min o Beschleunigung: maximal 4 g
• Wischeinheit:
o Trocknungszeit vor Wischeinheit min. 0,5 s
• Mustergröße: DIN A 4 min. 15x20 cm (kleiner auf Anfrage)
83
Wischeinheit Druckköpfe
Linearachse Papiermuster auf Probenschlitten
ordnung zur Druckform sowie die Zielrichtung der Bewertungsmethode.
Tab. 1: Entwickelte Bewertungsmethoden
Im der Regel werden 8 bis 10 Blatt je Druckform und Seite für eine komplette Papieranalyse ge- druckt. Die Anzahl ist erforderlich, da die Druckqualität, wie jede andere Messgröße auch, entspre- chenden Schwankungen unterworfen ist. Für die Methodenentwicklung wurden 7 (9) Papiere heran- gezogen.
5.2 Bewertung der Penetration/Tintentrocknung 5.2.1 Allgemeine Aspekte
Zur Bewertung der Tintentrocknung, -penetration ist das Labor-HSI-Drucksystem mit einer Wischein- heit ausgestattet. Eine definierte, variable Zeit nach dem Druck (≥ 0,5 s, je nach Druckgeschwindig- keit) wird eine Wischeinheit mit Wischmedium (Papier oder Folie) mit definierter Kraft auf das be- druckte Papier gedrückt. Die Tintentrocknung kann anschließend anhand des Verwischens des Druckbildes mit den entwickelten Bewertungsmethoden beurteilt werden.
5.2.2 Datamatrix-Wischtest
Eine einfache Bewertung des Verwischens stellt der sogenannte Datamatrix-Test dar. Bei diesem Test werden Datamatrix-Codes (DMC) gedruckt und anschließend verwischt. Die Druckqualität der Codes kann anhand der Norm ISO/IEC 15415 mit einem Verifyer objektiv beurteilt werden. Die Norm defi- niert 8 Parameter, mit denen die Lesbarkeit eines DMC ausgedrückt werden kann. Jede Einzelbewer- tung kann einen Wert zwischen 0 und 4 annehmen, wobei 4 der beste Wert ist. Sieben dieser Para- meter sind Einzelbewertungen (Kontrast, Modulation, Defekte feste Muster, Axiale Verzerrung, All- gemeine Verzerrung, Fehlerkorrektur, Wachstum). Der achte ist die Zusammenfassung der einzelnen Auswertungen und stellt als Minimum der Einzelbewertungen sozusagen das Gesamtergebnis der Lesbarkeit dar. Zur Bewertung des Verwischens / der Tintentrocknung wird die Gesamtbewertung des DMC herangezogen.
Die verwendete Druckform (Abb. 3) besteht aus sechs Datamatrix-Codes, von denen jeweils drei gewischt werden. Die Codes werden mit unterschiedlichen Tintenbelegungen (100 % K, 150 % (75 % K + 75 % C) und 200 % (100 % K + 100 % C)) gedruckt. Die Beurteilung der DMC-Lesbarkeit der ge- wischten und ungewischten Codes dient anschließend zur Beurteilung der Tintentrocknung. Die Druckform enthält zudem ein Druckelement zur Messung der Farbdichte der Ausdrucke.
Durch die standardisierte Auswertung der DMC-Lesbarkeit mittels eines Verifyers werden schnell und zuverlässig grundsätzliche Aussagen über die Tintentrocknung erhalten. Daher eignet sich der Data- matrix-Wischtest im HSI-Druck vor allem zur Papierbewertung während der Papierentwicklung, um erkennen zu können, ob Veränderungen in der Rezeptur die gewünschte Verbesserung bringen. Für Papiere mit sehr ähnlichem Trocknungsverhalten stößt die Methode allerdings an die Grenzen der Differenzierbarkeit.
Methode Nutzen Druckform
Druckdichte Brillianz, Kontrast 3
Wischtest Farbeinstellungen/ Farbtrocknung 1 + 4
High Speed Fluid
Charakterisierung (HFC) Farbeinstellungen,
Tropfenspreitung --
Spreitung Tropfenspreitung/ Punktzuwachs 2
Mottling Druckqualität 3
Fehlende/ helle Druckpunkte Druckqualität 3
Streifigkeit Druckqualität 3
Linienschärfe Druckqualität 2
Ausfransen, Ausbluten Druckqualität 2
5.2.3 Erweiterter Wischtest
Für eine detailliertere Bewertung der Tintentrocknung wurde in Erweiterung zum DMC-Wischtest Druckform 3 entworfen. Für diesen Test werden Balken der Größe 2 cm x 10 cm mit unterschiedli- cher Tintenmenge und -zusammensetzung gedruckt (Abb. 3). Nach dem definierten Verwischen der Balken werden die Länge der Wischspur, sowie der mittlere Grauwert in der Tintenspur bestimmt.
Abb. 4: Ergebnisse des DMC-Wischtests und des erweiterten Wischtests für drei sehr ähnliche, inkjet-optimierte Papiere.
In Abb. 4 sind die Ergebnisse der beiden Wischtests von drei sehr ähnlichen, inkjet-optimierten Pa- pieren gegenübergestellt. Mit dem Datamatrixtest sind diese Papiere aufgrund der begrenzten Diffe- renzierung und der Streuung der Messwerte nur schlecht zu unterscheiden. Beim erweiterten Wisch- test ist die Streubreite der Messwerte aufgrund der größeren bewerteten Fläche deutlich geringer.
Hier ist nun eine sichere Abgrenzung des Papiers 3 von den Papieren 1 und 2 möglich, eine zweifels- freie Unterscheidung zwischen Papier 1 und 2 gelingt jedoch auch hier nicht in ausreichendem Maße.
5.3 Penetrationsbewertung mit High Speed Kamera (HFC)
Wie im vorhergehenden Beispiel gezeigt, kommen die Wischverfahren bei sehr ähnlichen Papieren – hinsichtlich des Penetrationsverhaltens – an ihre Auflösungsgrenze. In solchen Fällen ist eine zusätzli- che Untersuchung der Papiere mit dem direkten Highspeedkamera-Messverfahren zur Untersuchung der Penetration von einzelnen Tintentropfen sinnvoll (Messprinzip und weitere Informationen siehe Literatur4, 5, 6).
In Abb. 5 sind die Wegschlagzeit (HFC Messung) und die Bewertung der Papiere mit dem erweiterten Wischtest miteinander korreliert. Man erkennt sehr schön, dass im Bereich von Wegschlagzeiten kleiner ca. 30 ms für das 150 % Feld bzw. kleiner ca. 40 ms für das 200 % Feld kein Verwischen auf- tritt, die Papiere mit dem HFC aber noch differenziert werden können. Mit steigender Wegschlagzeit kommt es zum Verwischen, wobei Wischlänge und Wegschlagzeit mit Ausnahme eines Papieres sehr gut korrelieren. Bei diesem Papier ist die Wischlänge alleine durch die Penetrationszeit nicht erklär- bar. Die Ursache dafür soll durch detaillierte HFC-Untersuchungen (mehrere Tintentropfen auf die- selbe Stelle) gefunden werden.
Insgesamt lässt sich feststellen, dass die Empfindlichkeit der Methoden von Datamatrixtest über den erweiterten Wischtest zum HFC hin zunimmt. Der DMC-Wischtest und der erweiterte Wischtest im HSI-Druck dienen der schnellen Trocknungsbewertung während der Papierentwicklung. Die Mess- werte erleichtern es, richtige Entwicklungsrichtungen zu erkennen. Bei Papieren mit sehr ähnlichem Trocknungsverhalten stoßen die Methoden allerdings an die Grenzen der Differenzierbarkeit. Dann bietet sich das HFC als Entwicklungstool an, z. B. auch, um Einsparpotentiale bei zu schnellem Weg- schlagen zu erkennen.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
0 10 20 30 40 50 60
Papier1 Papier2 Papier3
Note DMC-Lesbarkeit
Länge Wischspur in mm
Wischlänge 150% Datamatrix 150%
Abb. 5: Korrelation der Wegschlagzeit einer Modellinkjettinte (Tropfenvolumen ca. 150 pL, be- stimmt mit HFC) und Wischlänge aus dem erweiterten Wischtest
Der erweiterte Wischtest und das HFC gestatten es, die jeweilige Messwertskala mit dem Trock- nungsverhalten in der realen Druckmaschine zu kalibrieren. Damit ist gemeint, dass durch ein geeig- netes Referenzpapier, das in der großtechnischen Druckmaschine gerade noch schnell genug trock- net, um problemlos bedruckbar zu sein, ein Grenzwert der Penetrationszeit bzw. der Wischlänge definiert werden kann. Anhand dieser Grenze kann dann sehr gut abgeschätzt werden, wie sich ein Papier im realen Druckprozess verhalten wird. Da die Benotung des ungewischten DMC nicht bei allen Papieren identisch ist oder zwingend der Bestnote entspricht, ist ein solches Vorgehen für No- tendifferenzen im DMC-Wischtest nicht möglich.
5.4 Bewertung der Druckungleichmäßigkeit (Mottling, Koaleszenz)
Wie bereits erwähnt, ist die Ungleichmäßigkeit, insbesondere in Volltonflächen, ein wesentliches Qualitätskriterium für Druckprodukte, wobei diese Ungleichmäßigkeit in allen Druckverfahren auftre- ten kann.
In Abb. 6 ist der PSA-Index (PowerSpektrumsAnalyse), ermittelt mit dem Bildverarbeitungssystem DOMAS für 100K und 100C für sieben Papiere aufgetragen.
Die sieben Papiere konnten mit dem PSA-Index ausreichend differenziert werden, wobei zu erkennen ist, dass aus der Bewertung in K nicht zwingend auf die anderen Tinten, hier C, geschossen werden kann, wie Muster G zum Ausdruck bringt. Ein absoluter Vergleich der PSA-Indices von K und C ist nicht möglich, da in die Analyse der Grauwert des gescannten Volltonfeldes, der für die Tinten unter- schiedlich ist, eingeht. Weiterhin muss vermerkt werden, dass die Inkjet-Drucke im Gegensatz zum Tief- und Offsetdruck verfahrensbedingt eine gewisse Streifigkeit aufweisen. Diese Streifigkeit beein- flusst den Druckungleichmäßigkeitsmesswert und kann in seinem Einfluss durch entsprechende bild- analytische Filteroperationen minimiert aber nicht vollständig eliminiert werden.
y = 0,12x R² = 0,83
y = 0,056x R² = 0,83
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Wischlänge in mm
Wegschlagzeit HFC in ms Feld 100C+100K Feld 75C+75K
Unterschiede in Penetrationszeit, aber noch kein Verwischen
Verwischen durch Penetrationszeit allein nicht erklärbar
Abb. 6: Druckungleichmäßigkeit
5.5 Streifigkeit
5.5.1 Allgemeine Aspekte
Die Streifigkeit von Inkjet-Drucken ist ein Effekt, der im Zusammenspiel von Druckkopf und Papier entsteht. Obwohl Inkjet-Druckköpfe mit sehr hoher Präzision gefertigt werden, können die einzelnen Düsen kleinste Winkelabweichungen zur Normalen aufweisen, die durch Ablagerungen am Druckkopf noch verstärkt werden können. Papiere mit ausreichender Spreitung des Tropfens werden diese Winkelabweichungen ausgleichen. Ist die Spreitung jedoch zu klein, ist die erforderliche Überlappung benachbarter Tropen nicht mehr gegeben und es kommt zur Streifenbildung.
Eine Vorhersage der Neigung eines Papiers zu streifigem Ausdruck kann durch die Bestimmung der Tropfenspreitung erfolgen. Dazu wurde eine Testfläche mit kleinen Druckpunkten (2 x 2 Pixel) in de- finiertem Abstand entworfen. Nach dem Druck wird die Fläche in hoher Auflösung gescannt und die Druckpunktgröße mit dem erwarteten Wert verglichen. Daraus lässt sich der Spreitungsfaktor be- rechnen.
5.5.2 Bewertung der Streifigkeit
Die Bewertung der Streifigkeit erfolgt bildanalytisch am Volltonbild, indem die Grauwerte in Druck- richtung spaltenweise gemittelt werden. Infolge der Winkelabweichungen der Düsen zueinander gibt es nicht einen einzelnen Streifen sondern eine Streifenschar. Für den Winkel 90,0° sind in Abb. 7 das Perioden- und Amplitudenhistogramm sowie das un- und geglättete Grauwerteprofil dargestellt. Die Profile visualisieren und quantifizieren die Streifigkeit mittels absoluter Grauwerte. Die Glättung be- wirkt, dass der Einfluss kleinster Abweichungen eliminiert wird. Es zeigt sich, dass der Druckkopf (K) im linken Bereich eine erhöhte Streifigkeit aufweist – kein Papiereinfluss. Des Weiteren ist in Abb. 7 für die Streifenschar die Differenz der Grauwerte (Amplitude) zum mittleren Grauwert des Vollton- feldes (siehe Abb. 6) über der Streifen(Struktur)anzahl in der Messfläche für 7 Papiere aufgetragen.
0 20 40 60 80 100 120
1 2 3 4 5 6 7
PSA-Index
Probe
100K 100C
EPSON-Perfection v 750 Pro Auflösung: 420 dpi 8-bit-Graustufen Je höher der PSA-Index, desto ungleichmäßiger ist das Druckergebnis
2 x Gauß 5x5
Druckunruhe Streifigkeit
5 mm
Ergebnisse überlagert von Streifigkeit
Abb. 7: Bewertung der Streifigkeit
Die rot umrandeten Messwerte repräsentieren das Streifenmuster mit der maximalen Grauwertab- weichung für die betrachteten Papiere. Diese maximale Streifenausprägung kann auch als eindimen- sionale Kenngröße zur Papiercharakterisierung herangezogen werden. Dabei muss jedoch gewähr- leistet sein, dass es sich nicht um einen einzelnen Steifen, verursacht durch einen Düsenausfall, han- delt. Dies kann anhand der Streifenanzahl abgelesen werden. Die untersuchten Papiere wiesen ein breites Spektrum an Streifigkeit auf. Während Papier G mit einer Grauwertdifferenz von 24 extrem streifig war, besaß Papier E mit einer Grauwertdifferenz um 5 eine geringe Streifigkeit.
5.6 Bewertung von fehlenden / hellen Druckpunkten
Ein weiteres Kriterium für die Qualität beim Inkjet-Druck sind Fehlstellen bzw. hellere Stellen in Voll- tonfeldern. Zur Quantifizierung dieses Problems wurden zwei Methoden erarbeitet. Die integrale Bewertung basiert auf der Ermittlung des Grauwertes bei dem diese Bildpunkte 10 % des Flächenan- teils des Volltonfeldes ausmachen (Abb. 8 links), d. h. je höher der Schwellenwert ist, desto eher wird dieser Schwellenwert erreicht, was mit einem schlechteren Druckergebnis einhergeht.
Abb. 8: Fehlende bzw. helle Druckpunkte in der Volltonfläche 100K; links: integrale Betrachtung;
rechts: klassierende Betrachtung
0 5 10 15 20 25
0 10 20 30 40 50 60 70
Amplitude in Grauwerten
Anzahl der Strukturen
A B C D
E F G
v
vv v vv v vv v
vv v vv v
vv v
maximale Amplitude
Bildanzahl = 4
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
A B C D E F G
Schwellenwert
Papier Pixelanteil 10 %
D=0,95* D=1,16
D=1,02
D=1,00
D=1,02
D=1,02
D=0,95
Je höher der Schwellenwert, desto eher wird der 10 %-Anteil heller Bildpunkte erreicht, desto schlechter ist das Druckergebnis
* Druckdichte
Diese Betrachtungsweise ignoriert jedoch den Einfluss von Helligkeit und Flächengröße auf die Quali- tät. Methode 2 nimmt deshalb eine Klassierung dieser Parameter vor. In Abb. 8 (rechts) ist der Anteil der helleren Flächen in Abhängigkeit vom kreisäquivalenten Durchmesser und Grauwert (Helligkeit) dargestellt. Je größer und heller die Flächen sind, desto schlechter ist die Druckqualität. Aber auch extrem helle, kleine Flächen können sehr störend sein.
5.7 Bleeding und Wicking
Diese Druckprobleme (Abb. 1 Nr. 1 und Nr. 3) können mittels bildanalytischer Bewertung der Druck- elemente des Musters 2 quantifiziert werden. Die Wickingrelation (Differenz aus realer und geglätte- ter (erodierter) Druckelementfläche bezogen auf die theoretische (softwareseitige) Elementfläche) ist für den Schwarzdruck auf Papierweiß sowie den Cyandruck auf Schwarz in Abb. 9 aufgezeigt.
Abb. 9: Relationen
Es wird deutlich, dass die Papiere ein differenziertes Wickingverhalten aufweisen. Wesentlich größer sind die Unterschiede in der Spreadrelation (Quotient aus Differenz von geglätteter und Referenzflä- che zur Referenzfläche). Diese Unterschiede werden vom Anwender bei Betrachtung von K auf wei- ßem Papier nicht wahrgenommen, da der Mensch keine Bezugsgröße als Vergleichsbasis hat. Anders sieht es aus, wenn Cyan-Elemente auf einer schwarzen Vollfläche gedruckt werden. Nun kommt die Bedeutung der Spreadrelation zum Tragen, denn es wird quantifiziert, wie die Cyan-Elemente vom schwarzen Umfeld in ihrer Fläche reduziert werden. Während die Mehrzahl der betrachteten Papiere ein ähnliches negatives Spreadverhalten aufweist, weicht Papier sieben stark ab.
6 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
Die beiden Wischtests, die der Papierbewertung hinsichtlich des Wegschlag- und des Trocknungsver- haltens der Tinten dienen, stoßen bei Papieren mit sehr ähnlichem Trocknungsverhalten an ihre Grenzen. Eine bessere Differenzierung ermöglicht hier die HFC-Messung. Neben diesen beiden Krite- rien sind weitere Qualitätsparameter, die Effekte wie Bleeding, Wicking, Mottling / Koaleszenz aber auch Streifigkeit und Spreitungsverhalten quantifizieren von großem Interesse. Hierfür wurden ent- sprechende Druckformen und Bewertungsmethoden entwickelt. Die summarische Anwendung dieser Methoden ermöglicht eine komplexe, quantitative Stufung der Papiere hinsichtlich ihrer Eignung für den HSI-Druck.
Die Ergebnisse wurden im Rahmen der Forschungsvorhaben MF 130044 und 130147 gewonnen, die im Programm zur "Förderung von Forschung und Entwicklung bei Wachstumsträgern in benachteilig- ten Regionen" mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) über den Projektträger EuroNorm Gesellschaft für Qualitätssicherung und Technologie mbH aufgrund
-6 -4 -2 0 2 4 6
Wickingrelation[%] Spreadrelation[%] Wickingrelation[%] Spreadrelation[%]
Relation in %
Relationsart
A B C D E F G
100K 100C/100K
eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert werden. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Unser Dank gilt auch den Betrieben und Institutionen, die diese Arbeiten unterstützt haben.
1 CEPI Key Statistics 2013
2 PTS Methode PTS-DF 103/2011, Bewertung der Codierbarkeit von Faltschachtelkarton mit DOD-Inkjet-Druckern 3 Richtlinie 2011/62/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 8. Juni 2011: Pharmaverpackungen müssen zur Fälschungssicherung von Pharmaprodukten mit einem Data-Matrix-Code versehen werden
4 Keller, G. Weinzierl, D.
Penetration von Fluiden in Papieroberflächen (Teil 1), Wochenblatt für Papierfabrikation, 8/2014, S.490-499.
5 Weinzierl, D.
Charakterisierung und Modellierung des Wegschlagverhaltens von Tinten auf gestrichenen Inkjet-Papieren, Abschluss- bericht zu Projekt IK-VF 100010, PTS Heidenau 2013
6 Weinzierl, D.
Entwicklung einer Methode zur Bewertung der Bedruckbarkeit von Papieren im wasserbasierten Inkjetdruckverfahren, Forschungsprojekt IK-MF 130044, Laufzeit: 01.09.2013 – 31.08.2015
